Yên Thế có địa hình đồi núi trung du, thuộc vùng Đông Bắc (Việt Nam), nằm ở phía Tây Bắc tỉnh Bắc Giang, giáp giới với hai tỉnh Thái Nguyên và Lạng Sơn. Địa hình thấp dần theo hướng Đông Nam, phía Bắc là vùng núi thấp dưới chân dãy núi Bắc Sơn, mà dãy núi này hay được biết đến hơn với cái tên cánh cung Bắc Sơn chạy từ Lạng Sơn sang Thái Nguyên (một trong năm dãy núi hình vòng cung tạo nên nét đặc trưng của địa hình vùng Đông Bắc). Phía Đông Nam huyện Yên Thế giáp huyện Lạng Giang, ranh giới tự nhiên là con sông Thương một sông lớn trong hệ thống sông Thái Bình, phía Nam và Tây Nam giáp huyện Tân Yên, đều của tỉnh Bắc Giang. Phía Tây và phía Bắc Yên Thế giáp các huyện của tỉnh Thái Nguyên, kể từ Tây lên Bắc lần lượt là: Phú Bình, Đồng Hỷ, Võ Nhai. Toàn bộ phía Đông Yên Thế giáp với huyện Hữu Lũng của tỉnh Lạng Sơn. Chảy qua giữa huyện, theo hướng Đông Nam là con sông Sỏi, một nhánh nhỏ đầu nguồn của sông Thương. Diện tích tự nhiên của Yên Thế là 301,2575 km².
